Peyers patches (PPs) are B cell-rich sites of immune induction in the intestine, yet B cell signaling, activation, and differentiation associated with PPs are poorly defined. Single-cell and spatial transcriptomics were completed to study B cells from porcine jejunum and ileum containing PPs. Intestinal locations had distinct immune landscapes, including more follicular B cells in ileum and increased MHC-II-encoding gene expression in jejunal, non-resting B cells. Despite distinct landscapes, conserved B cell dynamics were detected across intestinal locations. B cell signaling to CD4+ macrophages that are putative phagocytic, cytotoxic, effector cells and deduced routes of B cell activation/differentiation, including resting B cells migrating into follicles to replicate/divide or differentiate into antibody-secreting cells residing in intestinal crypts, were conserved across locations. A six-biomarker panel recapitulated transcriptomics results of B cell phenotypes, frequencies, and spatial locations via ex vivo/in situ staining of gene/protein targets. Findings convey conserved B cell signaling, activation, and differentiation, despite location-specific immune environments in jejunum and ileum containing PPs. Results establish a benchmark of B cell dynamics for understanding intestinal immune induction important to promoting gut and overall health.

Pigs with severe combined immunodeficiency (SCID) are an emerging biomedical animal model. Swine are anatomically and physiologically more similar to humans than mice, making them an invaluable tool for preclinical regenerative medicine and cancer research. One essential step in further developing this model is the immunological humanization of SCID pigs. In this work we have generated T- B- NK- SCID pigs through site directed CRISPR/Cas9 mutagenesis of IL2RG within a naturally occurring DCLRE1C (Artemis)-/- genetic background. We confirmed Art-/- IL2RG-/Y pigs lacked T, B, and NK cells in both peripheral blood and lymphoid tissues. Additionally, we and successfully performed a bone marrow transplant on one Art-/- IL2RG-/Y male SCID pig with a bone marrow from a complete swine leukocyte antigen (SLA) matched donor without conditioning to reconstitute porcine T and NK cells. Next, we performed in utero injections of cultured human CD34+ selected cord blood cells into the fetal Art-/- IL2RG-/Y SCID pigs. At birth, human CD45+ CD3ε+ cells were detected in peripheral blood of in utero injected SCID piglets. Human leukocytes were also detected within the bone marrow, spleen, liver, thymus, and mesenteric lymph nodes of these animals. Taken together, we describe critical steps forwards the development of an immunologically humanized SCID pig model.

ABSTRACT Intestinal lymphocytes are crucial members of the mucosal immune system with impact over outcomes of intestinal health versus dysbiosis. Resolving intestinal lymphocyte complexity and function is a challenge, as the intestine provides cellular snapshots of a diverse spectrum of immune states. In pigs, intestinal lymphocytes are poorly described relative to humans or traditional model species. Enhanced understanding of porcine intestinal lymphocytes will promote food security and improve utility of pigs as a biomedical model for intestinal research. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) was performed to provide transcriptomic profiles of lymphocytes in porcine ileum, with 31,983 cells annotated into 26 cell types. Deeper interrogation revealed previously undescribed cells in porcine intestine, including SELL hi γδ T cells, group 1 and group 3 innate lymphoid cells (ILCs), and four subsets of B cells. Single-cell transcriptomes in ileum were compared to those in porcine blood, and subsets of activated lymphocytes were detected in ileum but not periphery. Comparison to scRNA-seq human and murine ileum data revealed a general consensus of ileal lymphocytes across species. Lymphocyte spatial context in porcine ileum was conferred through differential tissue dissection prior to scRNA-seq. Antibody-secreting cells, B cells, follicular CD4 αβ T cells, and cycling T/ILCs were enriched in ileum with Peyer’s patches, while non-cycling γδ T, CD8 αβ T, and group 1 ILCs were enriched in ileum without Peyer’s patches. scRNA-seq findings were leveraged to develop advanced toolsets for further identification of ILCs in porcine ileum via flow cytometry and in situ staining. Porcine ileal ILCs identified via scRNA-seq did not transcriptionally mirror peripheral porcine ILCs (corresponding to natural killer cells) but instead had gene signatures indicative of tissue- and activation-specific functions, indicating potentially similar roles to intestinal ILCs identified in humans. Overall, the data serve as a highly-resolved transcriptomic atlas of the porcine intestinal immune landscape and will be useful in further understanding intestinal immune cell function.

T cells resident within the intestinal epithelium play a central role in barrier integrity and provide a first line of immune defense. Intraepithelial T cells (IETs) are among the earliest immune cells to populate and protect intestinal tissues, thereby giving them an important role in shaping gut health early in life. In pigs, IETs are poorly defined, and their maturation in young pigs has not been well studied. Given the importance of IETs in contributing to early life and long-term intestinal health through interactions with epithelial cells, the microbiota, and additional environmental factors, a deeper characterization of IETs in pigs is warranted. The objective of this study was to analyze age- and intestinal location-dependent changes in IETs across multiple sites of the small and large intestine in pigs between 4 and 8 weeks of age. IETs increased in abundance over time and belonged to both γδ and αβ T cell lineages. Similar compositions of IETs were identified across intestinal sites in 4-week-old pigs, but compositions diverged between intestinal sites as pigs aged. CD2+CD8α+ γδ T cells and CD4-CD8α+ αβ T cells comprised >78% of total IETs at all intestinal locations and ages examined. Greater percentages of γδ IETs were present in large intestine compared to small intestine in older pigs. Small intestinal tissues had greater percentages of CD2+CD8α- γδ IETs, while CD2+CD8α+ γδ IET percentages were greater in the large intestine. Percentages of CD4-CD8α+ αβ IETs increased over time across all intestinal sites. Moreover, percentages of CD27+ cells decreased in ileum and large intestine over time, indicating increased IET activation as pigs aged. Percentages of CD27+ cells were also higher in small intestine compared to large intestine at later timepoints. Results herein emphasize 4 to 8 weeks of age as a critical window of IET maturation and suggest strong associations between intestinal location and age with IET heterogeneity in pigs.

ABSTRACT Pigs are a valuable human biomedical model and an important protein source supporting global food security. The transcriptomes of peripheral blood immune cells in pigs were defined at the bulk cell-type and single cell levels. First, eight cell types were isolated in bulk from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) by cell sorting, representing Myeloid, NK cells and specific populations of T and B cells. Transcriptomes for each bulk population of cells were generated by RNA-seq with 10,974 expressed genes detected. Pairwise comparisons between cell types revealed specific expression, while enrichment analysis identified 1,885 to 3,591 significantly enriched genes across all 8 cell types. Gene Ontology analysis for the top 25% of significantly enriched genes (SEG) showed high enrichment of biological processes related to the nature of each cell type. Comparison of gene expression indicated highly significant correlations between pig cells and corresponding human PBMC bulk RNA-seq data available in Haemopedia. Second, higher resolution of distinct cell populations was obtained by single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) of PBMC. Seven PBMC samples were partitioned and sequenced that produced 28,810 single cell transcriptomes distributed across 36 clusters and classified into 13 general cell types including plasmacytoid dendritic cells (DC), conventional DCs, monocytes, B cell, conventional CD4 and CD8 αβ T cells, NK cells, and γδ T cells. Signature gene sets from the human Haemopedia data were assessed for relative enrichment in genes expressed in pig cells and integration of pig scRNA-seq with a public human scRNA-seq dataset provided further validation for similarity between human and pig data. The sorted porcine bulk RNAseq dataset informed classification of scRNA-seq PBMC populations; specifically, an integration of the datasets showed that the pig bulk RNAseq data helped define the CD4CD8 double-positive T cell populations in the scRNA-seq data. Overall, the data provides deep and well-validated transcriptomic data from sorted PBMC populations and the first single-cell transcriptomic data for porcine PBMCs. This resource will be invaluable for annotation of pig genes controlling immunogenetic traits as part of the porcine Functional Annotation of Animal Genomes (FAANG) project, as well as further study of, and development of new reagents for, porcine immunology.